طيف سنجي پراش پرتو ايکس (XRD)

اين دستگاه قابليت بالايي در آناليز ترکيبي نمونه‌هاي سفال، ملات، محصولات خوردگي، رنگدانه‌ها، آجر، گچ، سرباره و ...دارد. براي آناليز، هر نمونه ابتدا به صورت پودر بسيار ريز در آمده و در معرض بمباران پرتوهاي اشعه ايکس با طول موج 100-1/0 آنگستروم قرار داده مي‌شود. حاصل کار يک ديفراکتوگرام يا الگوي پراش است. هر نمونه بلورين الگوي پراش منحصر بفردي دارد که مقايسه آن با الگوهاي پراش استاندارد، نوع ترکيب شناسايي مي‌شود.

ميزان نمونه مورد نياز براي هر آناليز بسته به نوع نمونه بين 5/0 تا 3 گرم است. با توجه به مقدار نمونه از روش لام يا قرص‌سازي استفاده شود. نتايج نهايي به صورت کيفي ارايه مي‌گردد

دستگاه پراش اشعه ایکس چیست؟
پراش اشعه X برای مطالعه‌ی ساختار مواد بلوری استفاده می‌شود. ناحیه پرتو X در طیف الکترومغناطیس در محدوده‌ی بین پرتو و فرابنفش قرار دارد. با استفاده از این ناحیه ی طیفی می‌توان اطلاعاتی در خصوص ساختار، جنس ماده و نیز تعیین مقادیر عناصر به دست آورد. از این رو روش‌های پراش پرتو x در شیمی تجزیه کاربرد زیادی دارند. برای یک ماده خالص، الگوی پراش پرتو X، همانند اثر انگشت برای آن ماده است. تا کنون الگوی پراش بیش 75000 ترکیب معدنی و آلی جمع‌آوری شده است. با استفاده از این پایگاه داده و با کمک روش جستجو و تطبیق می‌توان ترکیب هر ماده را مشخص نمود.

طيف سنجي پراش پرتو ايکس (XRD)
شکل1: تصویر دستگاه پراش اشعه ایکس

کاربردهای پراش اشعه ایکس

پراش اشعه ایکس در مشخصه‌یابی ساختار بلوری مواد، از جمله در اندازه‌گیری میانگین فواصل بین لایه‌ها و سری‌های اتمی، تعیین موقعیت تک بلور یا دانه و ترکیب اتم‌ها...، بررسی ساختار کریستالی مواد ناشناخته، تعیین مشخصات ساختاری شامل پارامتر شبکه، اندازه و شکل دانه، در روش XRD با استفاده از رابطه‌ی شرر می‌توان در شرایط خاص اندازه بلورک‌ها را تعیین کرد.

هم چنین در تشخیص فازهای کریستالی و موقعیت آن ها و اندازه‌گیری ضخامت، فیلم های نازک و چند لایه استفاده می‌شود. اگرچه دستگاه پراش پرتو ایکس کاربردهای فراوانی دارد، مهم ترین کاربرد آن در تخمین اندازه بلورک‌ها در ساختارهای بلوری است که در اینجا به چگونگی آن اشاره می‌کنیم.

دستگاه پراش از یک دایره فلزی به نام دایره پراش تشکیل شده است که چشمه‌ی پدیدآورنده پرتو ایکس و آشکارساز روی محیط آن و نمونه مورد نظر در مرکز آن قرار دارند.

شکل2: تصویر دایره پراش

تخمین اندازه بلورک‌های کریستال توسط طرح پراش

از آن جا که طول موج پرتو X از مرتبه‌ی فواصل بین اتم‌ها (آنگستروم) در مواد بلوری می‌باشد، بنابراین این مواد برای این پرتو نقش توری را ایفا می‌کنند و منجر به طرح پراش در مواد می‌شود. در شکل زیر طور شماتیک پراش پرتو X از لایه‌های مختلف اتمی نشان داده شده است.

شکل 3: بازتاب پرتو X از لایه‌های مختلف اتمی و طرح پراش ایجاد شده

در مواد بزرگ اندازه ی زاویه به گونه ای که تداخل پرتوهای X پراکنده شده از دو صفحه‌ی بالایی اتمی، تداخلِ سازنده است و منجر به پیکی در طرح پراش می‌شود.

وقتی اندازه ذره کاهش می‌یابد، بعضی از صفحات مربوط به تداخل تخریبی حذف می‌شوند و شدت غیر صفر، حول زاویه‌ داریم. بنابراین زاویه‌های وجود دارد که تداخل پرتوهای پراکنده شده از صفحه اول، صفحات 1+m و 1-m تخریبی است و شدت صفر را نشان می‌دهد. بنابراین می‌توان نوشت:

به طور دقیق تر می‌توان نوشت:

برای ذرات کروی، K تقریبأ برابر 0.9 می‌باشد و به صورت کلی رابطه‌ی زیر را برای به دست آوردن سایز ذره می‌توان نوشت:

که در آن طول موج پرتو X ، زاویه‌ی براگ و پهنای زاویه‌ای خط پراش در نصف شدت بیشینه است. باید بر حسب رادیان در این رابطه قرار داده شود.

طيف‌سنجي فلورسانس اشعه ايکس (XRF)

طيف‌سنجي فلوئورسانس پرتو ايکس يك روش آناليز دستگاهي است كه در آن از روش طيف نشري اشعه ايکس. براي تجزيه لايه‌هاي سطحي استفاده مي‌شود. اين دستگاه توانايي انجام آناليز عنصري به‌صورت كيفي و نيمه كمي نمونه‌هاي معدني مانند: نمونه‌هاي زمين‌شناسي، کاني‌ها، سنگ‌ها، شيشه، سيمان، سراميک‌ها، آلياژهاي فلزي و غيره را دارد. برانگيختگي نمونه در اثر تابش پرتو ايکس موجب انتقال الکتروني در لايه‌هاي مختلف اتم مي‌شود که هر انتقال الكتروني همراه با نشر يك خط طيفي پرتو x است. طول موج خطوط طيفي نشر شده مبناي تجزيه كيفي عناصر و شدت پرتوها متناسب با فراواني يا کميت عناصر موجود در نمونه است.

رديابي عناصر از سديم تا اورانيم با اين روش امكان‌پذير است، اما دقت آناليز براي عناصر سنگين بيشتر خواهد بود. يکسان بودن روش آماده‌سازي نمونه مورد مطالعه و نمونه استاندارد و يکنواخت و مسطح بودن سطح مورد آزمايش نقش مهمي در دقت و صحت نتايج حاصله دارد.

اين روش به‌عنوان مکمل مطالعات کاني‌شناسي و متالوگرافي کاربرد زيادي در بررسي‌هاي باستان‌شناسي و حفاظت از آثار دارد که مي‌توان به موارد زير اشاره کرد:

شناسايي كيفي و كمي عناصر موجود در سكه‌ها
شناسايي نوع آلياژ فلزي در ظروف فلزي مكشوفه
شناسايي كيفي و كمي عناصر در نمونه‌هاي سنگ، سفال و شيشه، خاكستر، خشت و غيره

طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس (XRF)

طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس (XRF) یا (X-ray Fluorescence Spectroscopy) یا طیف‌سنجی پرتو ایکس یکی از روش‌ های آنالیز عنصری است که از آن به طور وسیعی در صنعت و مراکز پژوهشی استفاده می‌ شود. این روش، به ویژه به علت سرعت زیاد در شناسایی عنصری، برای برخی از صنایع، ضروری است. در این روش، پرتو ایکس به نمونه مجهول تابیده و در اثر برانگیختن اتم‌ها باعث پدید آمدن پرتو ایکس ثانویه می‌ شود. سپس با تعیین طول موج (روش WDS) یا انرژی پرتو ایکس ثانویه (روش EDS)، عنصر یا عناصر مورد نظر را می‌توان شناسایی کرد.

طیف سنجی فلورسانس پرتو ایکس به دو نوع WDS و EDS تقسیم بندی می شود. در روش WDS پرتوی ایکس خروجی از نمونه مجهول، پیش از ورود به آشکار ساز، توسط یک بلور تفکیک می شود. در روش EDS پرتو خروجی از نمونه بدون آنکه توسط بلور آنالیز کننده تفکیک شود، وارد آشکارساز می شود. تفاوت اصلی دو روش EDS وWDS به سرعت، دقت، قدرت تفکیک این دو روش مربوط است.

کاربرد طیف سنجی فلورسانس ایکس

روش طیف سنجی فلورسانس ایکس در بسیاری از کاربردها، جایگزین روش‌های آنالیز شیمی‌ تر شده است. این جایگزینی به دلیل سرعت بالا و دقت زیاد در آنالیز مواد می‌باشد. روش‌ های شیمیایی سنتی، بسیار وقت‌ گیر هستند و همچنین به توانایی شخص آنالیز کننده وابسته‌ اند. اما در روش XRF در حالی که آنالیز و شناسایی با سرعت انجام می‌گیرد، این وابستگی نیز بسیار کم است. به هر حال دستگاه‌ های XRF از نظر سرمایه‌گذاری ابتدایی، هزینه بالایی نیاز دارند و بنابراین همه مراکز صنعتی و آزمایشگاهی توان خرید آن را ندارند.

کاربرد اصلی دستگاه XRF در صنایعی مانند فولاد و سیمان است. در این صنایع، تغییر مقدار عنصر های موجود در نمونه، در گستره کوچک و مشخصی است و دوم آن که نیازمند سرعت زیاد آنالیز برای تصمیم‌ گیری در تنظیم ترکیب هستند. محدود بودن عنصر های موجود در نمونه مجهول و گستره تغییر آن‌ها، امکان استفاده از منحنی‌ های کالیبراسیون را با اطمینان به وجود می‌ آورد. بدیهی است که در این نوع صنایع، دستگاه همزمان بیشتر مورد توجه باشد.

در مراکز پژوهشی نیز دستگاه XRF می‌تواند کمک زیادی بنماید. در این نوع کاربردها، دستگاه EDS به خاطر توان تشخیص نوع عنصر های موجود در نمونه مجهول، برای شروع کار آنالیز و شناسایی، بسیار مفید است. البته دستگاه WDS نیز می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد، ولی از آنجا که نمونه‌ های پژوهشی، دارای تنوع عنصری زیاد هستند، بنابراین آنالیز با این دستگاه ممکن است با ندیده گرفتن یک یا چند عنصر در نمونه همراه باشد. به هر حال، برای انجام کارهای پژوهشی، استفاده از دستگاه XRF، چه به صورت EDS و چه WDS، برای انجام آنالیز کیفی که احتیاج به نمونه‌ های استاندارد ندارد توصیه می‌ شود.

پاسخ به سوالات متداول

چه میزان نمونه و با چه مشخصاتی جهت آنالیز XRD کافی است؟
حداقل 3 گرم نمونه به صورت پودر با سایز 75 میکرون (زیر سرند 200 مش)، نمونه باید همگن و معرف باشد.

فرق آزمایش‌های XRD و XRF چیست؟
در هر دو روش از ویژگی‌های پرتو ایکس جهت شناسایی استفاده می‌شود ولیXRD جهت شناسایی فازها به کار می‌رود، در حالی که XRF تنها آنالیز عنصری (معمولاً از سدیم تا اورانیوم) انجام می‌دهد. مثلاً با انجام XRF می‌توان دریافت نمونه ای 20% آهن دارد، اما تنها XRD یا مطالعات میکروسکوپی می‌تواند مشخص کند که این میزان آهن در کدام فاز به صورت کربنات (سیدریت FeCO3)، کلرید (FeCl2 یا FeCl3)، سولفات آبدار (ملانتریت FeSO4.7H2O)، سولفید (پیریت یا مارکاسیت FeS2)، سیلیکات (فایالیت Fe2SiO4)، آهن طبیعی (Fe)، هیدروکسید (گوتیت یا لپیدوکروسیت FeOOH)، هیدروکسید آبدار (لیمونیت FeOOH.nH2O) یا اکسید (مگنتیت Fe3O4، هماتیت Fe2O3) تمرکز یافته است. مرسوم است که نتایج XRF به صورت اکسیدی گزارش می شود، اما این مسئله اصلاً به معنای وجود قطعی آن عنصر در فاز اکسیدی نیست!!

آیا می توان طلا را با تست XRD شناسایی کرد؟
خیر، آزمایش XRD تنها قادر به شناسایی فازهایی است که در نمونه بیش از 5-1 درصد وزنی موجود باشند. همان طور که می دانید عیار طلا در کانسارهای مربوطه در حد ppb (یا ppm) است.

مطالعات میکروسکوپی فازهایی را نشان داده است که در نتایج XRD نیست، این تناقض به چه علت است؟
همان طور که در جواب سئوال شناسایی طلا ذکر شد، حد تشخیص تست XRD بین 1 تا 5 درصد وزنی است، در حالی که مطالعات میکروسکوپی فازهای بسیار جزئی (حتی در حد ادخال) را نیز نشان می دهد. لذا طبیعی است که جواب‌های میکروسکوپی کامل‌تر از جواب های XRD باشد. ضمناً از آن جایی که تست XRD صرفاً جهت شناسایی فازهای بلورین است، فازهای آمورف (بدون شبکه کریستالین) با این روش به طور کلی شناسایی نمی‌شوند.

در نتایج XRD نوع رس، فلدسپار و نوع میکا شناسایی نشده است، چرا؟
تست XRD معمولی (در دمای اتاق) قادر به شناسایی نوع رس نیست. برای شناسایی رس‌ها، جداسازی و آماده‌سازی‌های ویژه‌ای نیاز است و امر شناسایی با مقایسه حداقل 3 طیف که با شرایط خاصی تهیه شده اند، صورت می پذیرد. نوع فلدسپات و نوع میکا نیز با مطالعات میکروسکوپی شناسایی می‌شوند.

آیا مواد آمورف قابل آزمایش با XRD هستند؟
مواد آمورف چونکه فاقد ساختار داخلی هستند نمی توانند با دستگاه XRD شناسایی شوند.با دستگاه XRD تنها می توان تعیین کرد که آیا نمونه آمورف است یا خیر.

برای آزمایش XRD باید چه اطلاعاتی به آزمایشگر بدهیم ؟
برای آزمایش XRD باید اطلاعات اولیه ای مثل ماهیت نمونه ، فازهای احتمالی موجود در نمونه ، فرایضه هایی که روی نمونه اجرا شده (حرارت داده شده - آیا تحت تاثیر اسید قرار گرفته یا نه؟) یا هر فرایند دیگری که روی نمونه اجرا شده باید اعلام گردد.

دستگاه XRD چه کار می کند؟
دستگاه XRD فازهای بلورین موجود در مواد معدنی ، فازهای متالورژی ، سرامیکی و مواد با ارزش مثل گوهرها را شناسایی می کند .XRD یک آزمایش غیر مخرب است.

شرایط نمونه برای آزمایش XRD چیست؟
نمونه ها برای مواد معدنی باید به صورت پودر باشند ( اندازه آنها کمتر از 70 میکرون ).برای فازهای متالورژی باید نمونه ها جامد و دو طرف آنها صاف و یکنواخت و صیقل خورده باشد.برای کلیه شرایط نمونه ها باید جامد باشند.

آزمایش XRD

شناخت مواد معدني :

اولين چيزي كه در شناخت مواد معدني مطرح مي شود خصوصيات فيزيكي ماده معدني است كه از قبيل رنگ ماده معدني ، رنگ خاكه ، شفافيت ، جلا، وزن مخصوص ، سختي، نوع شكستگي و بعضي واكنشهاي شيميايي است اما كار زماني مشكل مي شود كه مواد معدني خالص نيستند و اين خصوصيات را بطور آشكار از خود نشان نمي دهند مثلاً ماده معدني بوكسيت كه از كانيهاي اصلي مثل دياسپور و بوهميت و گيبسيت تشكيل شده به رنگ سفيد و يا خاكستري مي باشند كه با اندكي ناخالصي به هر رنگي مشاهده مي گردند. اينجاست كه بايد از ابزار دقيق اندازه گيري استفاده شود ولي با چه ابزاري و چه فاكتوري را اندازه بگيريم !

كاش كار ساده بود ويك ترازو و يا يك متر وجود داشت كه با اندازه گيري طول ماده معدني مي توانستيم بفهميم كه اين ماده معدني چيست ؟ در قدم اول اين خواسته خنده دار بنظر مي رسد . با اين حال چنين متري وجود دارد .

اگر به عكس يك كاني در زير يك ميكروسكوپ الكتروني توجه شود .

مي توان صفحاتي را در آن مشخص كرد كه اين صفحات سطوح اتمي موجود درآن مينرال مي باشد. اين سطوح در اثر منظم قرار گرفتن اتمها در شبكه هاي تبلور بوجود مي آيد . كه فاصله اين صفحات در مورد يك كاني خاص از يكديگر هميشه يك عدد ثابت است كه برابر واحد سلولي آن كاني مي باشد كه مثلاً براي هاليت اندازه اين واحد سلولي 2.823 انگستروم مي باشد .

در واقع با XRD فاصله بين اين سطوح اتمي اندازه گيري مي شود مثلاً اگر در اين اندازه گيري ها عدد 1.931 اندازه گيري شود در واقع مربوط به مينرال فلوريت مي باشد .

بنابراين XRD ابزار اندازه گيري فاصله بين سطوح اتمي مي باشد .

مزيت استفاده از XRD به روشهاي ديگر تعيين مينرالها ، مثلاً مقطع نازك در اين است كه مي توان مينرالهايي كه اوپاك مي باشند و يا خواص نوري مشخصي را ندارند از اين روش مشخص كرد . مثلاً خصوصيات نوري كلسيت و دولوميت در زير ميكروسكوپ نوري شبيه يكديگر است و تمايز اين دو مشكل است و يا مينرالهاي رسي خصوصيات بارز نوري براي تمايز ندارند فرضاً بين ديكيت و كائولينيت تفاوتي نيست . اما در XRD بخوبي مي توان اين مينرالها را از يكديگر جدا نمود اما نقطه ضعف XRD در جايي است كه فاصله بين سطوح اتمي در مورد دو كاني يكسان باشد . مانند مسكويت و بيوتيت و فلوگوپيت و ايليت در اين موارد نمي توان كانيهاي مختلف را از هم بخوبي مشخص نمود . از نتايج XRD نمي توان نام يك سنگ را مشخص نمود زيرا در نامگذاري يك سنگ علاوه بر نوع كاني بايد به فاكتورهاي ديگري از جمله بافت سنگ و پارامترهاي ديگر كه بستگي به نوع سنگ كه رسوبي و يا آذرين و يا دگرگوني باشد توجه نمود.

مراحل انجام آزمايش XRD براي يك ماده معدني به شرح زير است :

براي اين كار ابتدا ماده معدني بايدآماده سازي بشود آماده سازي شامل پودر كردن نمونه به حدي است كه پودر نمونه به هم چسبيده و بتواند خود رادر جانمونه اي حفظ نمايد. . سپس نمونه در جا نمونه اي دستگاه قرار گرفته و اشعه ايكس با زاوي مشخص به نمونه تابيده مي شود و با زتابش آن نيز بوسيله ديتكتر ثبت مي شود.

حاصل كار يك فايل ASCII است كه داده هاي خام در آن قرار دارد . اين داده هاي خام در نرم افزارهاي مناسب بصورت نمودار ترسيم مي گردد. كه در يك محور فاصله شبكه اي و يا زاويه بين اشعه تابش و اشعه بازتابش و در محور ديگر شدت بازتابش قراردارد. در مرحله بعد انطباق كارتهاي استاندارد با پيكهاي مجهول است كارتهاي استاندارد كارتهايي است كه در شرايط آزمايشگاه و نمونه هاي خالص مورد آزمايش قرار گرفته اند. حال با استفاده از يك روش آماري كارتها بر دياگرام نمونه مجهول منطبق مي گردد. و سپس فازهاي مختلف شناسايي مي گردد.

نتيجه كار بصورت يك دياگرام و يك جدول شامل نام فازهاي مختلف در زير جدول ارائه مي گردد .

XRD يك مرحله در شناسايي ماده معدني مي باشد اما در صنعت شناسايي كانيهاي مختلف به تنهايي كافي نيست و صنعتگران بيشتر بدنبال آن هستند كه بدانند در اين ماده معدني چه عناصري و با چه درصدي وجود دارد . مثلاً در صنعت سراميك درصد ناخالصيها از اهميت زيادي برخوردار است و اگر در نمونه كائولن ، گچ موجود باشد موجب خوردگي كوره ها مي گردد و يا اگر اكسيد آهن داراي درصد بالا باشد موجب رنگي شدن محصولات مي گردد و يا در فولاد سازي گوگرد باعث شكننده شدن فولاد مي شود .

به مثال زیر که خروجی دستگاه XRF از یک نمونه است توجه فرمایید :

Sample Identification 143

Comment Philips Analytical X-Ray B.V.

Comment PC-APD, Diffraction software

Measurement Date / Time 5/24/2012 9:59

Raw Data Origin PHILIPS-binary (scan) (.RD)

Scan Axis Gonio

Start Position [°2Th.] 4.0100

End Position [°2Th.] 59.9900

Step Size [°2Th.] 0.0200

Scan Step Time [s] 0.4000

Scan Type CONTINUOUS

Offset [°2Th.] 0.0000

Divergence Slit Type Fixed

Divergence Slit Size [°] 1.0000

Specimen Length [mm] 10.00

Receiving Slit Size [mm] 0.1000

Measurement Temperature [°C]0.00

Anode Material Cu

Generator Settings 40 kV, 30 mA

Diffractometer Type PW3710

Diffractometer Number 1

Goniometer Radius [mm] 173.00

Dist. Focus-Diverg. Slit [mm] 91.00

Incident Beam MonochromatorNo

Spinning No

Graphics

:Peak List

: Identified Patterns List

طيف سنجي پراش پرتو ايکس (XRD)

آزمایش XRD

مطالب مشابه :

طيف سنجي پراش پرتو ايکس (XRD) و طيف سنجي فلورسانس اشعه ايکس (XRF)

طيف سنجي پراش پرتو ايکس (XRD)

طيف‌سنجي فلورسانس اشعه ايکس

طيف سنجي پراش پرتو ايکس (XRD)

روش فلورسانس پرتو يا آزمايش XRF

شیمی تجزیه دستگاهی(تالیف christian)

روش فلورسانس پرتو يا آزمايش XRF